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Elektromechanischer Antrieb

Energieeffizienz mechatronischer Systeme ist unschlagbar

| Autor/ Redakteur: Andreas Drügemöller / Reinhold Schäfer

Energieeffizienz per se sagt noch nichts darüber aus, welche Energieeinsparung mit einer Systemlösung erzielt wird. Erst bei Vergleich mit alternativen Systemen und unter Zuhilfenahme des Taschenrechners wird transparent, welches System unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit die besten Ergebnisse liefert. Hier haben elektromechanische Antriebslösungen immer öfter die Nase vorn.

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Schweißzangen sind ein Beispiel für den Einsatz elektromechanischer Antriebe. Bild: SKF
Schweißzangen sind ein Beispiel für den Einsatz elektromechanischer Antriebe. Bild: SKF
( Archiv: Vogel Business Media )

Wer die Energiediskussion heute noch als Grundsatzdebatte führen will, dürfte auf allgemeines Unverständnis stoßen angesichts der bekannten, unerfreulichen Wahrheiten über Umweltprobleme, knapper werdende Ressourcen und damit einhergehende soziale Katastrophen. Nachhaltigkeit und soziale Verantwortung haben in den Leitmotiven von Unternehmen inzwischen einen hohen Stellenwert, und obwohl der Begriff der nachhaltigen Entwicklung in jeder energiepolitischen und -wirtschaftlichen Diskussion breite Zustimmung erfährt, sind die Vorstellungen, Interpretationen und Handlungsziele einer großen Bandbreite unterworfen.

Nachhaltigkeit im Fokus vieler Unternehmen

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Schon 1987 formulierte die Brundtland-Kommission den auf Carlowitz zurückgehenden Begriff der Nachhaltigkeit: „Eine Entwicklung ist nachhaltig, wenn sie die heutigen Bedürfnissen zu decken vermag, ohne für künftige Generationen die Möglichkeit zu schmälern, die eigenen Bedürfnisse zu befriedigen.“

Für ein Unternehmen wie SKF mit weltweiter Präsenz und über 100 Fertigungsstätten rund um den Erdball hat das Thema Nachhaltigkeit oberste Priorität. Bereits 1989 hat der Konzern Umweltrichtlinien für die eigene Geschäftstätigkeit festgelegt und von seinen Geschäftseinheiten, neben guten betriebswirtschaftlichen Ergebnissen, auch ein ökologisch und sozial verantwortungsbewusstes Handeln verlangt.

Umwelt-Zertifizierung eingeführt

Durch sein aktives Engagement im Umweltschutz will SKF zur Erhaltung der Ressourcen für künftige Generationen seinen Beitrag leisten und meint es ernst damit. So zählte die SKF-Gruppe zu den ersten internationalen Unternehmen, die erfolgreich nach ISO 14001 zertifiziert wurden. Diese Umwelt-Zertifizierung gilt weltweit für alle SKF-Einheiten (Produktion, Logistik, Entwicklung und Support).

Für die konsequente Umsetzung des Leitmotivs Nachhaltigkeit wurde SKF bereits mehrfach ausgezeichnet und hat sich mit dem Beyond-Zero- Programm ein ehrgeiziges Ziel gesetzt, nämlich durch kontinuierliches Streben nach ökologischen Bestleistungen zum Vorbild in Sachen Nachhaltigkeit zu werden.

Dazu sind natürlich alle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter gefordert, ihre Handlungsabläufe und Entscheidungen einer Nachhaltigkeitsprüfung zu unterziehen. Leichter gesagt oder geschrieben als getan, denn häufig fehlen Informationen und genaue Kenntnisse darüber, welche Maßnahmen zu welchen Energieeinsparungen führen, geschweige denn, welche exakten Kosteneinsparungen sich bei einer energieeffizienten Lösung ergeben. Energiebetrachtungen sind komplex, weil in der Regel eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt werden muss, um zu einer Lösung zu gelangen, die das Attribut energie-effizient wirklich verdient.

Zur Mechatronik gibt es keine Alternative

Die Steigerung der Effizienz, das heißt die Verbesserung des Wirkungsgrades einer Maschine, Anlage oder eines Systems ist seit Urgedenken eine der Hauptaufgaben von Ingenieuren. Die dem System zugeführte Energie soll wirksam in nutzbare Leistung umgewandelt werden. Verluste, verursacht vom System, gilt es zu minimieren. Kleiner, schneller, leistungsdichter, so lauten die Forderungen im Konstruktionsalltag, und dies in ganz besonderer Weise bei linearen Antrieben, die bei fortschreitender Automatisierung der Fertigungsprozesse in allen Branchen zunehmend zum Einsatz kommen.

Gefragt sind Systemlösungen mit hoher Funktionsintegration in kompakter Ausführung. Durch Einbindung neuer Technologien und Fertigungsverfahren, beispielsweise der Oberflächentechnik sowie der Verwendung von Werkstoffen mit verbesserten Eigenschaftsprofilen, erschließen sich den linearen Antrieben glänzende Perspektiven.

Neue Dimensionen für energieeffiziente Lösungen

Die Mechatronik einerseits und Hybridlösungen andererseits sowie die Kombination aus beiden Technologien versprechen hinsichtlich der Forderung nach energieeffizienten Systemlösungen Produkte, die sowohl ökologisch als auch ökonomisch in neue Grenzbereiche vorstoßen. Gerade die Mechatronik hat sich prächtig entwickelt; bietet sie doch wie keine andere Technik – außer dem ausgezeichneten Regelverhalten – handfeste Ergebnisse bei Kosten- und vor allem bei Energiebetrachtungen.

Vergleicht man die Antriebssysteme, die zur Erzielung linearer Antriebsfunktionen miteinander im Systemwettbewerb stehen, dann spricht deren Energiebilanz eine eindeutige Sprache. Hinsichtlich der Energieeffizienz gibt es zu elektromechanischen Systemlösungen keine Alternative. Während man bei pneumatischen Antrieben hohe Energieverluste in Kauf nehmen muss, schlägt die Energiebilanz bei hydraulischen Antrieben nicht ganz so dramatisch zu Buche, dennoch ist auch sie von der Energieeffizienz elektromechanischer Antriebe meilenweit entfernt.

Hydraulische Antriebe keine Alternative

Erschwerend kommt bei hydraulischen Antrieben hinzu, dass man die komplette Infrastruktur, bestehend aus Ölbehälter, Ölvorwärmeinrichtungen, Ölkühler, Pumpen, Filter, Wartungseinheiten und vielem anderen mehr, aufbauen muss, während man bei elektromechanischen Antrieben (Bild 1) lediglich Kabelanschlüsse benötigt.

Darüber hinaus muss man den nicht unerheblichen Aufwand zur Erhaltung des Wirkungsgrades und der Leistungsfähigkeit des Trägermediums mit ins Kalkül ziehen. Eine entsprechende Betrachtung könnte man für pneumatische Antriebe anstellen, denn auch die Druckluft gibt es nicht zum Nulltarif. Bei einer reinen Kostenbetrachtung im Einkauf fallen auf den ersten Blick die zunächst höheren Kosten der elektromechanischen Antriebe (Bild 2) im Vergleich zu Hydraulik- oder Pneumatikzylindern ins Gewicht.

Lebenszykluskosten müssen beachtet werden

Dieser Kostenvorteil der hydraulischen und pneumatischen Systeme kommt umso stärker zum Tragen, je mehr Arbeitszylinder in eine gemeinsame Infrastruktur eingebunden werden können. Sehr schnell jedoch kommt man zu einem völlig anderen Ergebnis, wenn man die gesamten Lebenszykluskosten einer Systemlösung untersucht. Dabei schlägt der Anteil der Energiekosten umso stärker zu Buche, je schneller sich die Energiepreisspirale dreht, und wohin diese Reise geht, bedarf an dieser Stelle keiner näheren Erörterung.

Wartungskosten, Instandhaltungskosten und vor allem die hohen Umwandlungsverluste fluidtechnischer Systeme sind weitere Argumente, die den elektromechanischen Antrieben in die Hände spielen, denn bei der Elektromechanik wird elektrischer Strom ohne Umwandlung nur für die reinen Arbeitstakte gebraucht. Steht der Arbeitsprozess oder pausiert der Aktuator, wird keine Energie benötigt, im Gegensatz zur Fluidtechnik, bei der während der Dauer einer gesamten Arbeitsschicht Druckluft vorgehalten werden muss.

Beim Schweißen werden 90% Energie gespart

Am Beispiel des linearen Antriebes einer Schweißzange (Bild 3) zum Punktschweißen im automobilen Rohbau wird der Systemvorteil der Elektromechanik im vergelich zur Pneumatik deutlich. Angenommen, man setzt die Energiekosten für pneumatische Energie mit 6 Cent pro Kubikmeter Normluft an und für Strom den Wert von 6 Cent pro Kilowattstunde ein. Und geht man davon aus, dass eine Zange im Rohbau durchschnittlich etwa 15 Punkte pro Karosserie ausführt und 500 Fahrzeuge pro Tag produziert werden, dann summiert sich die Energieeinsparung auf über 90%.

Bei einem kompletten Rohbau entspricht diese Einsparung einem Betrag von 200 000 Euro pro Jahr, wenn man an Stelle einer pneumatischen Lösung ein elektromechanisches System einsetzt. Die Amortisationszeit des elektromechanischen Antriebs beträgt nach unseren Erfahrungen weniger als zwei Jahre.

Hinzu kommt der Aspekt, dass es sich bei der Elektromechanik um eine wesentlich umweltfreundlichere Technik handelt, ganz zu schweigen von weiteren Vorteilen, die elektrische Antriebe in dieser Anwendung haben: So verhindert die gute Regelbarkeit das Zangenschlagen und damit sind präzise Bewegungsabläufe bei der Punkt-zu-Punkt-Bewegung gewährleistet. Zudem sind Kraft und Weg für unterschiedliche Werkstoffe flexibel einstellbar.

Bei Werkzeugmaschinen wird mehr als 95% Energie gespart

Ein weiteres Beispiel aus dem Bereich der Werkzeugmaschinen spricht für sich. Auch dort wurde eine pneumatische Lösung einer elektromechanischen gegenübergestellt: Für das pneumatische Öffnen und Schließen einer Werkzeugmaschinentür wurde ein Pneumatikzylinder mit einem Durchmesser von 50 mm eingesetzt. Der Zylinder wurde mit einem Druck von 6 bar betrieben. Die erforderliche Druckluftmenge betrug 13,5 l pro Zyklus. Die Werkzeugmaschine war an 230 Tagen im Jahr 16 Stunden im Einsatz und erreichte durchschnittlich 30 Zyklen pro Stunde. Der Betrachtungszeitraum erstreckte sich über 3 Jahre. Bei diesem Beispiel aus der Praxis in einem kleineren Betrieb wurden für einen Kubikmeter Normluft 14 Cent angesetzt sowie 12 Cent für die Kilowattstunde Strom. Die Einsparung ergab für den Systemvergleich Pneumatik versus Elektromechanik 603,89 Euro zu Gunsten der elektromechanischen Lösung. Das sind fast 958%.

Bei allen guten Vorsätzen, mit denen Unternehmen heute das Thema Nachhaltigkeit zum Teil sehr ernsthaft in Angriff nehmen, sind es letztlich die Kosten, die maßgeblich Entscheidungen und Handlungsweisen beeinflussen.MM

Dipl.-Ing. Andreas Drügemöller ist Global Segment Manager Factory Automation bei der SKF Linearsysteme GmbH in 97404 Schweinfurt

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